生物芯片(biochip)是指采用光導(dǎo)原位合成或微量點(diǎn)樣等方法,將大量生物大分子物質(zhì),如核酸片段、多肽分子,甚至組織切片及細(xì)胞等生物標(biāo)本有序固化于支持物(如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝膠、尼龍膜等載體)表面,組成密集二維分子排列,再與標(biāo)記的待測(cè)生物標(biāo)本中的靶分子雜交,通過(guò)特定的儀器,如激光共聚焦掃描或電荷偶聯(lián)攝影像機(jī),對(duì)雜交信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行快速、并行、高效檢測(cè),從而判斷標(biāo)本中靶分子的數(shù)量。由于常用玻片/硅片作為固相支持物,且在制備過(guò)程中模擬計(jì)算機(jī)芯片的制備技術(shù),故稱為生物芯片技術(shù)。

(一)類型

根據(jù)芯片上固定的探針不同,可分為基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片、組織芯片等。根據(jù)原理不同,有元件型微陣列芯片、通道型微陣列芯片、生物傳感芯片等。芯片上固定的是肽或蛋白質(zhì),稱肽芯片或蛋白質(zhì)芯片,芯片上固定的是寡核苷酸探針或DNA,稱DNA芯片。

(二)原理

生物芯片技術(shù)的基本原理是將制備好的生物標(biāo)本固定于經(jīng)化學(xué)修飾的載體上,然后與標(biāo)記的標(biāo)本分子雜交,根據(jù)各探針?lè)肿与s交信號(hào)的強(qiáng)度確定標(biāo)本分子的數(shù)量和序列信息。

(三)應(yīng)用

1.基因測(cè)序 人類基因組計(jì)劃的實(shí)施促進(jìn)了高效、自動(dòng)化操作測(cè)序方法的發(fā)展,芯片技術(shù)中的雜交技術(shù)是一種新的高效快速測(cè)序方法。目前認(rèn)為,人類疾病或健康狀況都與一定的基因相關(guān),有許多試驗(yàn)證明,一種疾病有相應(yīng)的致病基因或易感基因存在,通過(guò)基因檢測(cè)可以對(duì)疾病進(jìn)行基因診斷和基因治療。

2.新藥開(kāi)發(fā) 高通量DNA芯片可發(fā)現(xiàn)眾多的新基因和靶分子用于新藥設(shè)計(jì)。目前第一個(gè)分子生物工程藥物Herceptin已用于乳腺癌的治療,并獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)。用分子生物工程設(shè)計(jì)的藥物,可治療遺傳病、代謝性疾病,抗衰老,設(shè)計(jì)新的抗生素和工業(yè)用酶等。

3.尋找新基因 定量監(jiān)測(cè)大量的基因表達(dá)水平,在闡述基因功能、探索疾病原因及機(jī)制、發(fā)現(xiàn)可能的診斷及治療等方面很有價(jià)值。該技術(shù)在炎癥性疾病,如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(RA)和炎性腸病(IBD)的基因表達(dá)研究中,由RA或IBD組織制備探針,用Cyt3和Cyt5熒光素標(biāo)記,再與靶cDNA微陣列雜交,可檢出炎性疾病誘導(dǎo)的基因,如腫瘤壞死因子(TNF)、白細(xì)胞介素(IL)或粒細(xì)胞集落刺激因子,并發(fā)現(xiàn)以前未發(fā)現(xiàn)的基因,如HME基因和黑色素瘤生長(zhǎng)刺激因子等。

生物芯片技術(shù)雖然還處在初期發(fā)展階段,但其飛速發(fā)展正在逐步改變著人們對(duì)生物體的認(rèn)識(shí),隨著該技術(shù)的深入發(fā)展,對(duì)于臨床診斷疾病、發(fā)生機(jī)制的認(rèn)識(shí)和新藥開(kāi)發(fā)都將是重要的研究手段。仍然存在許多難以解決的問(wèn)題,如技術(shù)復(fù)雜、檢測(cè)靈敏度較低,重復(fù)性差、分析范圍較窄及成本昂貴等。這些問(wèn)題主要表現(xiàn)在標(biāo)本的制備、探針合成與固定、分子的標(biāo)記、數(shù)據(jù)的讀取與分析等方面。